초록 ▼

1. 개요

인구 증가와 수자원 오염으로 지구상에는 인간이 사용할 수 있는 깨끗한 물이 점차 감소함에 따라 지하수와 해수를 담수화하여 음용수로 이용하고자 하는 노력이 지속되고 있고, 하수처리수를 공업용수로 재이용하는 시도도 계속되고 있다. 담수화와 하수처리수의 공업용수 재이용에서 가장 중요한 처리 공정 중 하나가 수중에 존재하는 이온 성분을 제거하는 것이며, 이를 탈이온화 또는 탈염(desalination)이라고 한다. 깨끗한 물에 대한 수요가 증가하면서 지난 수십 년간 탈염(또는 담수화) 기술 개발도 활발하게 이루

1. 개요

인구 증가와 수자원 오염으로 지구상에는 인간이 사용할 수 있는 깨끗한 물이 점차 감소함에 따라 지하수와 해수를 담수화하여 음용수로 이용하고자 하는 노력이 지속되고 있고, 하수처리수를 공업용수로 재이용하는 시도도 계속되고 있다. 담수화와 하수처리수의 공업용수 재이용에서 가장 중요한 처리 공정 중 하나가 수중에 존재하는 이온 성분을 제거하는 것이며, 이를 탈이온화 또는 탈염(desalination)이라고 한다. 깨끗한 물에 대한 수요가 증가하면서 지난 수십 년간 탈염(또는 담수화) 기술 개발도 활발하게 이루어졌다. 대표적인 탈염 기술로는 역삼투, 전기투석, 다단 플래시, 다중효용, 증기압축, 막증류 등이 있다. 언급된 기술들은 주로 해수담수화에 이용되는 기술이며, 이온물질의 농도가 낮은 기수(brackish water)의 담수화에 적용할 경우 처리비용이 많이 소요되는 단점이 있다. 따라서 기수를 경제적으로 처리하는 방법에 대한 연구 또한 담수화 기술 개발과 함께 진행되었으며, 최근 축전식 탈염(capacitive deionization; CDI) 기술이 관심을 받고 있다.



Figure 1. CDI 기술의 탈염과 재생 공정[1]



CDI는 Figure 1과 같이 두 개의 다공성 탄소전극에 서로 다른 전하를 적용하여 수중의 이온물질을 제거하는 기술이다. 두 전극의 전하에 따라 원수에 존재하는 음이온(anion)은 양극(anode)에, 양이온(cation)은 음극(cathode)에 흡착된다. 탄소전극에 흡착된 이온들은 각 전극에 반대 전하를 적용하여 탈착시킨 후 배출한다. CDI는 이렇게 전극의 전하를 계속 바꿔주면서 이온물질의 흡착(탈염)과 탈착(재생)을 반복하면서 수중의 이온물질과 전하를 띠는 물질을 제거하는 기술이다.

탈염 기술로서 CDI는 다음과 같은 장점이 있다. CDI는 상온에서 낮은 압력과 저전압(~1.2V)으로 운전이 가능하므로 역삼투(reverse osmosis; RO)와 같이 높은 압력을 요구하지 않고 증류 기술에 필수적인 열원도 필요 없다. 또한 CDI는 이온물질을 직접 원수에서 제거하므로 에너지효율이 우수하다(RO와 증류 기술은 물을 추출하는 방식). 마지막으로 CDI에 전하를 적용하면 이온물질이 제거됨과 동시에 고용량의 콘덴서(supercapacitor)와 같이 CDI 전극에 전기가 충전된다. 비록 CDI에 충전된 전기를 직접적으로 사용하지 않지만 이론적으로는 이온물질의 탈착 시 방전되는 전기의 사용이 가능하다.

이러한 특징으로 인하여 CDI 기술은 기수, 해수, 하수처리수의 탈염과 연수화에도 적용이 되고 있으며, 이외에도 다양한 분야에서 이온물질 제거를 위해 연구가 진행되고 있다. CDI 기술을 이해하기 위해서는 이온물질의 제거 기작, 전극의 종류, 운전 방법(정압 또는 정류 운전), 본 기술의 한계, 경제성 등을 추가적으로 다루어야 한다. 그러나 지면의 한계로 인하여 본 리포트에서는 CDI 형태와 성능평가 인자, 그리고 적용분에 대해서만 간략하게 다루었고, 추후 코센리포트를 통해 계속해서 CDI 기술과 연구 동향을 소개하고자 한다. 본 분석자는 아직 CDI 전문가라고 할 수 없다. 현재 국책연구과제를 통해 CDI를 적용을 위해 lab과 pilot test를 수행하고 있으며, 이러한 과정에서 기존 논문 검토와 실험으로 습득한 노하우를 코센리포트를 통해 독자들과 공유하고자 한다.



2. CDI 형태

CDI는 전극의 위치와 원수(feed)의 흐름 방향에 따라 다양한 형태(architecture)로 구성이 가능하다. 가장 일반적인 CDI는 두 개의 다공성 탄소전극이 일정한 간격으로 떨어져 있고 그 사이를 원수가 흐르는 형태이다(flow-by CDI, Figure 2A). 이러한 형태는 전기장의 직각 방향으로 원수가 흐르는 형태이다. 또 다른 형태의 CDI에서는 원수가 다공성의 탄소전극을 직접 통과하도록 구성되며, 이때는 원수의 흐름은 전기장과 평행이다(flow-through CDI, Figure 2B). Flow-through CDI는 flow-by CDI와 비교했을 때 전극 사이의 원수가 흐르는 공간이 필요 없기 때문에 조밀한 구성이 가능하고, 원수가 탄소전극을 통과하기 때문에 흡착효율이 높다는 장점이 있다.

Flow-by CDI에서 원수와 접촉하는 탄소전극 표면에 이온교환막을 부착한 membrane CDI(MCDI)는 2006년 최초로 과학적인 증명이 이루어졌다[3]. MCDI에서 음극은 양이온 교환막, 양극에는 음이온 교환막을 부착하여 탈염 효율을 향상시킨 것이 특징이다(Figure 2C). 최근에는 슬러리로 된 탄소전극을 CDI의 전극 부분으로 주입하는 flow-electrode CDI(FCDI)도 개발되었다(Figure 2D).



Figure 2. CDI의 형태[2]



FCDI는 슬러리로 된 탄소전극을 음극와 양극 부분에 계속적으로 흘려주기 때문에 다른 CDI와는 다르게 흡착된 이온물질의 탈착 공정이 필요 없다. 따라서 연속 탈염이 가능하고, 이러한 특성으로 인하여 고농도 원수를 처리할 수 있다. CDI는 충전과 방전이 반복되고 비교적 낮은 전압(~1.2V, 1.3V 이상의 전압에서는 물의 전기분해가 발생하여 탈염 효율 감소)을 이용하기 때문에 고염의 원수 처리가 어려운 단점이 있었지만, CDI의 형태 변화를 통해 단점을 일부 극복할 수 있다. 이에 따라 최근에는 FCDI 관련 연구가 많이 진행되고 있으며[4], 추후 코센리포트를 통해 자세히 알아볼 예정이다.



3. CDI 성능지표

3.1. Maximum salt adsorption capacity

Salt adsorption capacity(SAC)는 충전-방전 주기에서 탄소전극에 흡착되는 이온물질의 총량이며, maximum SAC(mSAC)는 SAC가 평형을 이루었을 때의 흡착량을 의미한다. SAC와 mSAC는 원수에서 제거된 이온의 중량(mg)을 탄소전극의 건조중량(g)으로 나누어 산정하며, 이를 gravimetric SAC라고 한다. 이때 탄소전극의 중량은 다공성의 탄소 입자뿐만 아니라 이를 연결하는 binder와 다른 부속물질들도 포함하는 것이 일반적이다. 또한 탄소전극의 단위부피당 이온물질 흡착량을 나타내는 volu-metric SAC도 함께 고려하여야 한다. 부피당 탄소의 중량이 적은 경우, 더 많은 부피의 탄소전극이 필요하기 때문이다.



3.2. Average salt adsorption rate

Average salt adsorption rate(ASAR, mg g-1 min-1)는 시간당 탄소전극에 흡착된 이온물질의 양으로 정의된다. 앞서 설명한 mSAC가 탄소전극에 흡착된 이온의 양을 말한다면, ASAR은 충전 또는 충방전 시간 동안 탄소전극에 흡착된 이온의 총량을 의미한다. ASAR값은 충전 시간이 짧고 원수의 농도가 높으며, 전극의 두께가 얇을수록 크다. 이외에도 ASAR은 CDI의 다양한 운전인자(예를 들어, 전압 등)에 영향을 받으므로 CDI의 운전인자를 반영한 지표라고 할 수 있다. 따라서 ASAR값은 CDI의 운전 조건과 함께 제시되어야 한다. 2013년 MCDI를 이용한 실험에서 보고된 ASAR값은 2.3 mg g-1 min-1였으며[5], 이를 이용하여 이온 농도가 약 35,000 mg/L인 해수를 처리하기 위해 필요한 탄소전극 양을 계산한 결과, 약 7,600kg이 필요한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 앞에서도 서술하였듯이 CDI는 고염의 원수를 처리하기에는 아직 부적합하며, 향후 이의 처리가 가능한 CDI 기술 개발이 필요하다고 할 수 있다.



3.3. Charge efficiency

Charge efficiency(충전효율)는 CDI 충전 시 두 개의 전극 사이에 축적된 전하량(moles) 대비 흡착된 이온물질의 양(moles)의 비율이며, Λ(lamda)로 표시한다. Λ는 전압과 원수에 존재하는 이온물질의 함수이며, 일반적으로 전압이 높을수록, 원수의 농도가 낮을수록 증가한다.

Λ는 CDI의 성능을 평가하는 데 중요한 인자로 사용된다. 예를 들어, CDI에 운영에 필요한 전력량은 Λ로 결정되며, Λ값이 높을수록 전력소비량이 적다. MCDI와 flow-by CDI의 Λ를 비교하면, MCDI가 약 20% 정도 높다. 또한 Λ는 전기이중층(electrostatic double layer; EDL) 모델의 검증에도 사용된다. 이의 설명을 위해서는 탄소전극에 이온성 물질이 흡착되는 기작에 대해 다루어야 하는데, 이에 대한 내용은 추후 코센리포트에서 소개할 예정이며, 우선 참고문헌 [5]를 참조하길 바란다.



4. CDI 적용 분야

CDI는 낮은 전압을 사용하는 특성상 염 농도가 높은 원수를 처리하기 어렵다. 따라서 CDI는 염 농도가 낮은 기수를 음용수 또는 농업용으로 사용하기 위한 처리 공정으로 가장 활발하게 적용되고 있다. CDI를 이용한 저염수의 탈염은 다른 탈염 기술(RO, 다단 플래시)과 비교했을 소요전력량이 적은 것으로 알려져 있다. 기존의 연구에 따르면, MCDI와 RO를 비교했을 때 염 농도가 대략 20,000 mg/L 정도인 원수를 TDS 10,000 mg/L 정도로 처리할 경우 RO보다는 MCDI의 에너지효율이 더 우수한 것으로 보고되었다[6]. 하지만 MCDI로 해수를 처리하기 위해서는 원수의 5배에 달하는 부피의 탄소전극이 필요(예를 들어, 해수 1㎥ 처리에 필요한 탄소전극량은 5㎥)한 것으로 산정되었다.

CDI를 지표수 처리에 적용하면 수중에 존재하는 유기물에 의해 탄소전극의 오염이 발생하여 성능이 저하된다. 이 경우 약산과 약염기를 이용한 간단한 세정만으로 성능이 회복된다. 천연가스 유전에서 발생되는 생산수 처리와 옥탄과 같은 유류 성분이 5~10 mg/L의 농도로 존재하는 저염수 처리에 적용했을 때에는 성능 저하가 발생하지 않았다.

CDI는 물의 연수화를 위한 칼슘과 마그네슘의 제거, RO 처리수에 존재하는 붕산과 같은 약산의 제거에도 적용이 가능하다. 또한 바이오매스의 가수분해로 발생되는 아세트산과 황산의 제거도 용이하며, 인슐린 정제, 인산염과 질산염 제거, 기타 중금속 제거도 가능하다.

CDI를 다른 공정과 함께 사용하여 상승작용을 기대할 수도 있다. CDI는 전력소요량이 많지 않기 때문에 전력이 공급이 충분하지 않은 지역에서 태양열발전과 함께 사용이 가능하다. 태양열발전에서 공급되는 전기의 전압이 약 1V 정도이기 때문에 낮은 전압을 사용하는 CDI에 매우 적합하다. 또한 CDI와 미생물연료전지를 결합한 공정 구성도 가능하다(이를 microbial capacitive desalination cell; MCDC라고 한다). Anode chamber에 존재하는 미생물이 유기물을 산화하고, 이때 발생되는 전자가 이동하면서 이온물질을 제거하므로 유기물과 이온물질의 동시 제거가 가능하며, 동시에 전기도 발생한다. 마지막으로 RO와 함께 사용할 경우 RO 농축수의 처리나 RO 처리수의 초순수 제조에 적용이 가능하다. RO 농축수는 이온 농도가 높으므로 CDI로 처리할 경우 효율이 매우 낮은 단점이 있다.

CDI를 이용하여 특정한 이온들을 선택적으로 제거하고자 하는 시도는 1990년대부터 계속되어왔으며, 최근에는 수중의 질산염을 선택적으로 더 많이 제거할 수 있는 CDI와 MCDI 기술이 개발되었으며, 탄소 입자와 제올라이트로 구성된 전극을 이용한 CDI로 칼슘을 선택적으로 더 많이 제거하는 기술도 개발되었다.

CDI 기술을 사용화한 사례는 네덜란드의 Voltea와 중국의 EST Water & Technology에서 찾아볼 수 있다. Voltea에서는 냉각수의 처리에 CDI를 적용한 결과 처리수 1㎥당 0.1~0.2kWh의 전력이 소요되었으며, 낮은 에너지로도 처리가 가능하다는 것을 보여주었다. EST는 중국의 30여 개소의 산업 및 도시하수 처리시설에 CDI 시스템을 적용하였으며, 시설용량은 대부분 시간당 1,000~2,000㎥으로 비교적 용량이 크다고 할 수 있다. EST의 CDI 시스템 전력사용량을 RO와 비교한 결과, EST의 CDI는 1㎥당 1.0kWh의 전력이 소요된 반면, RO는 1.5kWh가 소요되어 RO보다 전력사용량이 낮은 것으로 나타났다.



5. CDI 전망과 결론

CDI 기술의 개발은 비록 1960년대에 시작되었지만 본격적으로 연구되기 시작한 것은 1990년대 중반이고, 실제로 적용된 것은 2010년부터이다. 따라서 CDI는 이제 막 개발이 시작된 새로운 기술(emerging technology)이라고 할 수 있으며, 이는 아직 현장에 적용하기에는 이른 성숙되지 않은 기술인 동시에 개발 가능성이 많은 기술이라는 것을 의미한다. 특히 최근 전 세계적으로 물 재이용에 대한 관심이 높아지고 있고 해수담수화 시설용량이 증가되고 있는 추세에서 적은 에너지로 수중에 존재하는 이온물질을 제거할 수 있는 기술 개발은 관심의 대상이 되고 있다.

이러한 관점에서 필자는 CDI가 향후 탈염 수처리 공정에서 큰 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다. 이를 위해 CDI는 더 개발이 필요한 부분이 있다. 특히 이온물질의 농도가 높은 원수의 처리가 가능한 CDI 형태, 탄소전극물질, 운전 방법 등에 대한 개발이 필요하다. 최근 FCDI와 hybrid CDI의 개발을 통해 기존의 CDI에 비해 흡착량이 2배가량 증가하기는 하였지만 해수와 같은 고농도의 원수를 처리하기에는 여전히 비용이 많이 소요된다. 따라서 향후 CDI의 연구는 고염의 원수를 처리할 수 있는 시스템 개발에 초점이 맞추어질 것으로 판단된다. 게다가 4장에서 서술하였지만 이온물질을 선택적으로 제거할 수 있는 기술의 개발도 필요하다. 특히 질산염, 황산염, 염소와 같이 특정한 이온만 선택적으로 통과시키거나 특정 이온과의 결합을 통해 수중으로부터 제거할 수 있는 분리막을 개발한다면 CDI의 적용 분야는 더욱 확대될 것으로 판단된다. 마지막으로 이번 리포트에서는 언급하지 않았지만 CDI에 사용되는 전극물질의 개발도 지속되어야 한다. 3장의 평가지표에서 살펴보았듯이 이온물질을 더 많이 제거하기 위해서는 전극에 흡착될 수 있는 이온물질의 총량(mSAC)이 증가되어야 하며, 이는 탄소전극의 특성을 향상시켜야 가능하다.

과거 RO 적용 초기에는 전력소요가 많은 것이 단점이었다. 그러나 RO에 대한 다양한 연구와 개발을 통해 전력소요량을 상당히 낮추는 데 성공했다. CDI는 전력소요량은 적으나 이온물질이 고농도로 존재하는 폐수는 처리가 어려운 단점이 있다. 하지만 RO 기술의 발달과 마찬가지로 연구, 개발을 통해서 이러한 단점도 곧 극복될 수 있을 것으로 확신한다. 필자도 CDI 기술의 성능 향상을 위해 연구와 실험, 그리고 실증시설의 설계와 운영을 수행하고자 계획하고 있으며, 이러한 과정에서 얻어지는 노하우를 독자들에게 코센리포트를 통해 공유하고자 한다.







References

1. Voltea. http://voltea.com/resources-english/. [Viewed 2018-09-30]

2. Suss, M. E., Porada, S. Sun, X., Biessheuvel, P. M., Yoon, J., and Presser, V. Water desalination via capacitive deionization: what is it and can we expect from it? Energy & Environmental Science 8: 2296-2319. 2015.

3. Lee, J. B., Park, K., Eum, H., Lee, C. Desalination of a thermal power plant wastewater by membrane capacitive deionization. Desalination 196(1-3): 125-134. 2006.

4. Yang, S., Choi, J., Yeo, J., Jeon, S., and Park, H., Flow-electrode capacitive deionization using an aqueous electrolyte with a high salt concentration. Environmental Science & Technology 50(11): 5892-5899. 2016.

5. Porada, S., Zhao, R., van del Wal, A., Presser, V., and Biesheuvel, P. M. Review on the science and technology of water desalination by capapcitive deionization. Progress in Materials Science 58: 1388-1442. 2013.

6. Zhao, R., Parada, S., Biesheuvel, P. M., and van der Wal, A. Energy consumption in membrane capacitive deionization for different water recoveries and flow rates, and comparison with reverse osmosis. Desalination 330: 35-41. 2013.